船舶發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)模糊PID控制研究

歐陽(yáng)松,汪 敏

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著柴油機(jī)技術(shù)的更新與進(jìn)步，柴油發(fā)電機(jī)組已成為現(xiàn)代船舶電站的主要電力來(lái)源。隨著船舶噸位的不斷增大以及船舶大功率負(fù)載的不斷增多，對(duì)船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的要求也逐漸提高。

為了使船舶柴油發(fā)電機(jī)組輸出諧波更小、端電壓更穩(wěn)定的三相交流電，需要對(duì)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁進(jìn)行閉環(huán)控制[1]。最常見(jiàn)的做法是采用經(jīng)典PID控制器，但經(jīng)典PID算法需要被控對(duì)象的精確模型，且性能不夠理想[2]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了新的控制方式來(lái)取代經(jīng)典PID控制方式，智能控制是一門快速發(fā)展的技術(shù)[3]。智能控制中的模糊控制不需要控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)模糊控制算法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，在具有非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)控制方面表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能[4]。文獻(xiàn)[5]中將模糊控制算法應(yīng)用于控制器的設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，避免了經(jīng)典PID對(duì)于非線性系統(tǒng)的局限性。文獻(xiàn)[6]中在控制系統(tǒng)中針，對(duì)系統(tǒng)中多變量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了兩個(gè)模糊控制器，進(jìn)一步提高了控制器的性能。因此，本文結(jié)合模糊控制和經(jīng)典 PID控制，設(shè)計(jì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模糊PID控制器，該控制器由糊控制器和PID控制器并聯(lián)而成，模糊推理機(jī)的輸入為船舶發(fā)電機(jī)端電壓的偏差及其變化率經(jīng)模糊化處理后的模糊量。

1 模糊控制模型

在實(shí)際系統(tǒng)中，我們無(wú)法建立所有系統(tǒng)的精確模型。模糊控制不需要被控對(duì)象的精確模型，是對(duì)專家知識(shí)和人的手動(dòng)控制策略進(jìn)行總結(jié)和分析，然后來(lái)模擬人的思維、決策，將其經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為模糊控制的規(guī)則從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。模糊控制不需要獲取精確模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的智能性，適合于非線性、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)[7]。

模糊控制器通常由模糊化、規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)和反模糊化構(gòu)成。模糊化是控制量輸入接口，將輸入的精確值轉(zhuǎn)換為推理機(jī)輸入的模糊值；規(guī)則庫(kù)存放被控對(duì)象的全部控制規(guī)則，在推理時(shí)為推理機(jī)提供控制規(guī)則；推理機(jī)有匹配和推理兩個(gè)基本任務(wù)，通過(guò)輸入量對(duì)應(yīng)的模糊值來(lái)確定激活對(duì)應(yīng)的規(guī)則，然后結(jié)合模糊規(guī)則計(jì)算得出控制器的輸出量的模糊值；反模糊化是將推理機(jī)輸出的模糊語(yǔ)言值轉(zhuǎn)化為被控對(duì)象所需要的清晰數(shù)字量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊PID控制器的設(shè)計(jì)可分為以下步驟：

1）確定輸入和輸出變量

同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用是保證發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)定，因此，模糊控制器的輸入變量為同步發(fā)電機(jī)的端電壓的偏差值e及其變化率ec，將控制器的輸出變量uf作為勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的輸入量。

2）模糊化處理

將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的模糊PID控制器的輸入和輸出量的語(yǔ)言變量分別取值為：

由于仿真中采用標(biāo)幺模型，所得到的發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的端電壓為 1，通常要求端電壓的變化在10%的范圍內(nèi)，因此，輸入變量e的基本論域?yàn)閇-0.1,0.1]，ec的基本論域?yàn)閇-5,5]，輸出變量uf的基本論域?yàn)閇0,1.5]。

取輸入變量e和ec的模糊論域?yàn)椋?/p>

取輸出變量uf的模糊論域?yàn)椋?/p>

由此可知，量化因子分別為：

根據(jù)以上分析，采用三角隸屬度函數(shù)規(guī)則，設(shè)計(jì)輸入、輸出隸屬度函數(shù)如圖2所示。

3）模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

模糊規(guī)則的好壞決定著控制器的性能，將端電壓的偏差和偏差的變化率經(jīng)過(guò)模糊化后的模糊值作為推理機(jī)的輸入，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則表[8]。當(dāng)偏差和偏差變化率為正且值很大時(shí)，應(yīng)使其輸出值為最大值；當(dāng)偏差很小但是偏差的變化率很大時(shí)，且由于混合型模糊PID控制器的積分作用較小，因此需要將其輸出值減小，以保證端電壓的穩(wěn)定；當(dāng)偏差為正，但偏差的變化率為負(fù)時(shí)，可將模糊控制器的輸出設(shè)為零，根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，如表1所示。

本文采用Mamdani模糊推理，在模糊推理運(yùn)算中，與運(yùn)算采用極小法，或運(yùn)算采用極大法，結(jié)論合成采用累加法，輸出解模糊采用面積重心法。基于Matlab的模糊邏輯工具箱建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，生成的輸出量曲面如圖3所示。

?

在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中，常采用模糊控制算法來(lái)進(jìn)行控制，但模糊控制器的精度較差，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其結(jié)果仍具有靜差的缺點(diǎn)，因此常將模糊控制和經(jīng)典PID控制算法結(jié)合起來(lái)使用構(gòu)成模糊PID控制器，這樣能結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在偏差較大時(shí)模糊控制器起主要作用，從而使得PID控制器的積分飽和減弱，在偏差較小的時(shí)候主要由經(jīng)典PID控制器起作用，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，獲得較好的調(diào)節(jié)性能。模糊PID的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 模糊PID控制器仿真模型

由于電機(jī)的仿真需要從穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行才能保證其結(jié)果不失真，因此在運(yùn)行仿真前需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始化。因?yàn)殡姍C(jī)的穩(wěn)態(tài)值與參考值之間存在一定的偏差，仿真啟動(dòng)時(shí)需要克服這種差異則需要一定的時(shí)間，因此仿真會(huì)出現(xiàn)振蕩。Matlab中為了克服這個(gè)問(wèn)題提供了有效的方法，在仿真模型中加入 Power GUI，利用其“潮流計(jì)算”和“電機(jī)初始化”窗口進(jìn)行設(shè)置。在柴油發(fā)電機(jī)組仿真模型中含有類剛性系統(tǒng)，所以一般采用ode15s算法。在同步發(fā)電機(jī)開(kāi)路時(shí)，沒(méi)有端電流則仿真不能通過(guò)，因此需要在電機(jī)上加一個(gè)很小的負(fù)載，其值接近于零，保證其由負(fù)載電流很小且近似于空載。

在Matlab環(huán)境下建立模糊PID控制器的仿真模型，如圖5所示。

在 Matlab環(huán)境下調(diào)用模糊控制工具箱中的模糊控制模塊設(shè)計(jì)模糊PID控制器。首先調(diào)出模糊控制器并對(duì)輸入和輸出隸屬度函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，至此已經(jīng)完成了船舶柴油發(fā)電機(jī)組的模糊PID控制器。

船舶柴油發(fā)電機(jī)的仿真模型如圖5所示，主要由柴油機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、勵(lì)磁系統(tǒng)、同步電機(jī)組成。

圖6中speed為柴油機(jī)及調(diào)速模塊；dec_speed為測(cè)速模塊，其功能是檢測(cè)柴油機(jī)的速度是否達(dá)到額定值，以此來(lái)判斷是否給同步發(fā)電機(jī)施加勵(lì)磁電壓；mag為采用模糊PID控制器的勵(lì)磁系統(tǒng)；ADD為自動(dòng)加載模塊；SUB為自動(dòng)卸載模塊。

4 模糊PID控制的系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的多種典型負(fù)載，進(jìn)行了系統(tǒng)的突加、突減負(fù)載以及帶載起動(dòng)仿真。在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，在6 s時(shí)自動(dòng)閉合斷路器，給發(fā)電機(jī)突加 50%的負(fù)載。穩(wěn)定運(yùn)行后，在 14 s時(shí)再突加50%的負(fù)載純阻性負(fù)載，最終發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7仿真結(jié)果分析可知，柴油機(jī)在起動(dòng)、加載時(shí)，其轉(zhuǎn)速超調(diào)都非常小，其值小于 2%，且其調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8 s，滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）要求；在同步發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)滿足《規(guī)范》的要求；在整個(gè)加載的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組的端電壓的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都滿足要求；勵(lì)磁裝置具有轉(zhuǎn)速檢測(cè)功能，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（在0.5 s）時(shí)刻，給發(fā)電機(jī)施加勵(lì)磁電壓，建立發(fā)電所需要的磁場(chǎng)。在突加負(fù)載后，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩在兩次加載時(shí)其超調(diào)量都比較大，其調(diào)節(jié)時(shí)間也較短。從其輸出端電壓的性能來(lái)說(shuō)，在加載時(shí)其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都能滿足要求，在起動(dòng)時(shí)的超調(diào)量為12%且調(diào)節(jié)時(shí)間為1.4 s，也滿足《規(guī)范》中的性能指標(biāo)要求。勵(lì)磁控制系統(tǒng)中采用模糊PID控制比文獻(xiàn)[1]中采用經(jīng)典PID控制的發(fā)電機(jī)組的端電壓的性能較好，也滿足《規(guī)范》中的性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合模糊控制和經(jīng)典PID控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模糊PID控制器。將發(fā)電機(jī)端電壓的偏差及變化率作為模糊控制器的輸入，并將模糊控制器和PID控制器進(jìn)行并聯(lián)構(gòu)成同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模糊PID控制器。使發(fā)電其端電壓的超調(diào)量為12%，但其調(diào)節(jié)時(shí)間為1.4 s，機(jī)的端電壓更加穩(wěn)定，具有較好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了該控制方法有效可行，能夠解決復(fù)雜控制系統(tǒng)中的非線性問(wèn)題，使船舶發(fā)電機(jī)組的性能指標(biāo)滿足《規(guī)范》的要求。

[1]見(jiàn)可可.船舶電力系統(tǒng)的建模與模糊控制研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué),2012.

[2]劉成.船舶柴油機(jī)主機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建模與轉(zhuǎn)速控制[D].上海: 上海海事大學(xué),2004.

[3]孫增圻等.智能控制理論與技術(shù)[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2011.

[4]Chedid R.B.,Karaki S.H.,El-Chamali C.Adaptive fuzzy control for wind-diesel weak power systems[J].IEEE Transactions On Energy Conversion,2010,25(1):71-78.

[5]劉雨.船舶柴油發(fā)電機(jī)組的建模與智能控制的仿真研究[D].大連: 大連海事大學(xué),2002.

[6]Samir Nejim.Rudder roll damping system for ships using fuzzy logic control [J].The 2009 IEEE International Conference on Fuzzy Systems,2009,24(1):1137-1141.

[7]Zhang Yufeng,Li Shengjin,Lu Gang,et al.A fuzzy self-tuning PID control system of adjustable speed diesel generator[C].2012 International Conference on Systems and Informatics(ICSAI2012),2012:619-622.

[8]Wei He,Min Ren,Yingqi Tan.A fuzzy control system of diesel generator speed[C].Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference,2009: 1-4.